ITMI972733A1 - POLYMER MEMBRANE FUEL CELL OPERATING AT TEMPERATURE ABOVE 100 ° C - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE DI INVENZIONE INDUSTRIALE DESCRIPTION OF INDUSTRIAL INVENTION
Le celle a combustibile sono apparati nei quali l’energia libera di reazione rilasciata dalla combinazione di un combustibile (ad esempio metanolo, etanolo, idrogeno, o miscele contenenti quest’ultimo) con un comburente (ad esempio ossigeno puro, aria, cloro o bromo) non viene completamente degradata ad energia termica, bensì convertita in energia elettrica sotto forma di corrente continua. In tali apparati, il combustibile viene alimentato all’anodo, che assume polarità negativa, ed il comburente viene alimentato al catodo, il quale assume, viceversa, polarità positiva. La generazione di energia elettrica nelle celle a combustibile è di estremo interesse per le alte efficienze di utilizzo dei combustibili impiegati, in quanto il processo non soffre delle limitazioni del ciclo di Carnet, e per lo scarso impatto ambientale, in termini di emissioni nocive e di rumori. Nel caso in cui venga scelto idrogeno puro come combustibile, tale impatto ambientale è prossimo allo zero. Fuel cells are apparatuses in which the free reaction energy released by the combination of a fuel (for example methanol, ethanol, hydrogen, or mixtures containing the latter) with a comburent (for example pure oxygen, air, chlorine or bromine ) is not completely degraded to thermal energy, but converted into electrical energy in the form of direct current. In these apparatuses, the fuel is fed to the anode, which assumes negative polarity, and the comburent is fed to the cathode, which, vice versa, assumes positive polarity. The generation of electricity in fuel cells is of great interest due to the high efficiency of use of the fuels used, as the process does not suffer from the limitations of the Carnet cycle, and due to the low environmental impact, in terms of harmful emissions and noises. If pure hydrogen is chosen as a fuel, this environmental impact is close to zero.
Le celle a combustibile si possono schematicamente classificare in diversi tipi, caratterizzati essenzialmente dal tipo di elettrolita che separa i comparti anodico e catodico, e di conseguenza dall’intervallo di temperatura alle quali esse possono tipicamente operare; questo tipo di classificazione si riflette direttamente sull'utilizzo che si può realizzare o prospettare per questi sistemi. In particolare, le celle a combustibile che operano ad alta temperatura, vale a dire al di sopra dei 200°C, si stanno ormai delineando come fonte alternativa di energia elettrica in centrali di grossa taglia, anche per via delle interessanti possibilità di cogenerazione consentite dall’elevato livello termico. D’altro canto, il tipo di cella che appare più interessante nel campo della generazione elettrica di piccola e media taglia, sia per applicazioni di tipo stazionario che per quelle di tipo mobile (ad esempio la trazione di autoveicoli) utilizza come elettrolita una membrana polimerica a scambio ionico, il cui utilizzo a temperature superiori a 100°C è tradizionalmente impedito dalla necessità di mantenere un alto grado di idratazione al suo interno. L'alta densità di energia e di potenza connessa aH'utilizzo di elettroliti solidi polimerici e la rapidità di avviamento e di messa a regime delle celle a combustibile, che ne fanno impiego, rendono le celle a combustibile a membrana molto più competitive di qualsivoglia concorrente per tale tipo di applicazioni. Fuel cells can be schematically classified into different types, essentially characterized by the type of electrolyte that separates the anodic and cathodic compartments, and consequently by the temperature range at which they can typically operate; this type of classification directly reflects on the use that can be achieved or envisaged for these systems. In particular, fuel cells that operate at high temperatures, that is to say above 200 ° C, are now emerging as an alternative source of electricity in large power plants, also due to the interesting possibilities of cogeneration allowed by the high thermal level. On the other hand, the type of cell that appears most interesting in the field of small and medium-sized electrical generation, both for stationary and mobile applications (for example the traction of motor vehicles) uses a polymeric membrane as an electrolyte. ion exchange, whose use at temperatures above 100 ° C is traditionally prevented by the need to maintain a high degree of hydration inside. The high energy and power density associated with the use of solid polymeric electrolytes and the speed of start-up and running of the fuel cells, which use them, make membrane fuel cells much more competitive than any competitor. for such type of applications.
La limitazione del livello termico consentito dalle membrane a scambio ionico costituisce tuttavia una importante limitazione alla loro piena affermazione sul mercato, soprattutto per via della mancanza di flessibilità del combustibile alimentabie a temperature inferiori ai 100°C. La disponibilità di idrogeno puro, infatti, è limitata a una selezionata nicchia di applicazioni nelle quali tale combustibile è presente come sottoprodotto, come nel caso degli impianti di elettrolisi del cloruro sodico. La situazione di mercato del presente e del futuro, perlomeno a medio termine, richiede, per l’affermazione commerciale su larga scala di tali sistemi, l’impiego di combustibili per i quali esista una rete di distribuzione già presente, ovvero i quali offrano una buona facilità di trasporto, come nel caso dei combustibili liquidi. However, the limitation of the thermal level allowed by ion exchange membranes constitutes an important limitation to their full success on the market, above all due to the lack of flexibility of the fuel fed at temperatures below 100 ° C. The availability of pure hydrogen, in fact, is limited to a selected niche of applications in which this fuel is present as a by-product, as in the case of sodium chloride electrolysis plants. The market situation of the present and the future, at least in the medium term, requires the use of fuels for which an already existing distribution network exists, or which offer a good ease of transport, as in the case of liquid fuels.
Tra i combustibili più promettenti per consentire l’affermazione delle celle a combustibile nell'ambito della generazione di elettricità a basso impatto ambientale occorre citare gli alcoli leggeri (metanolo, etanolo), ovvero l'idrogeno proveniente dal reforming a vapore acqueo o dall'ossidazione parziale di precursori ampiamente disponibili quali gas naturale, idrocarburi liquidi (benzina, gasolio etc.) o degli stessi alcoli leggeri nel caso in cui l'ossidazione diretta non risulti efficiente a sufficienza. Nessuno di questi combustibili è però ragionevolmente compatibile con la presente tecnologia di cella a combustibile a membrana polimerica, operante a bassa temperatura. Gli alcoli leggeri presentano due tipi di problemi attualmente insormontabili: da un lato, la loro cinetica di ossidazione a bassa temperatura è del tutto insufficiente a renderli competitivi, in termini di efficienza, rispetto a semplici processi di combustione, anche qualora vengano impiegati i più efficienti catalizzatori a base di metalli nobili; d’altro canto, l'elevata permeabilità delle membrane commercialmente disponibili rispetto agli alcoli provoca una parziale depolarizzazione del processo, con conseguente perdita ulteriore di efficienza elettrica. Nel caso dell'idrogeno proveniente dalla conversione di gas naturale, alcoli o combustibili fossili, è ben noto il problema rappresentato dalla inevitabile presenza di monossido di carbonio, del quale sono sufficienti semplici tracce per penalizzare sensibilmente il funzionamento dei catalizzatori anodici attualmente noti alle temperature comunemente impiegate. Sia il problema della cinetica di ossidazione degli alcoli sui metalli nobili, sia i fenomeni di avvelenamento di questi ultimi per esposizione a quantitativi molto limitati di monossido di carbonio, possono essere virtualmente eliminati aumentando la temperatura di esercizio al di sopra dei 130°C. Le membrane commerciali per celle a combustibile realmente sviluppate al punto tale da consentirne l'effettivo utilizzo in applicazioni industriali sono costituita 1 da acidi perfluorocarbosolfonici (ad es. Nafion®), par i quali la possibilità di operare a media temperatura è impedita per due ordini di motivi; la prima soglia termica, posta a 10CPC, non è valicabile a causa della difficoltà di mantenere il bilancio idrico del sistema, soprattutto operando con reagenti gassosi a bassa pressione (condizione imposta per la maggior parte delle applicazioni pratiche ai fini di massimizzare l'efficienza di sistema). La seconda soglia termica, posta a circa 130X, corrisponde all'inizio dei fenomeni di transizione di fase per la maggior parte degli acidi perfluorocarbosolfonici; oltre questa temperatura, per tempi di esercizio prolungati, iniziano a segregarsi fasi cristalline all'interno del polimero, che creano disomogeneità che si riflettono sulle proprietà di conduzione elettrica e di stabilità meccanica. La disomogeneità della distribuzione di corrente causa, in tali condizioni, una cattiva distribuzione termica che provoca la distruzione del polimero nelle zone a temperatura maggiore (“hot spots”). Among the most promising fuels to allow the affirmation of fuel cells in the generation of electricity with low environmental impact, it is necessary to mention light alcohols (methanol, ethanol), i.e. hydrogen from water vapor reforming or oxidation partial of widely available precursors such as natural gas, liquid hydrocarbons (petrol, diesel, etc.) or of the same light alcohols in the event that direct oxidation is not sufficiently efficient. However, none of these fuels is reasonably compatible with the present polymer membrane fuel cell technology, operating at low temperature. Light alcohols present two types of currently insurmountable problems: on the one hand, their oxidation kinetics at low temperature is completely insufficient to make them competitive, in terms of efficiency, with respect to simple combustion processes, even if the most efficient are used. noble metal-based catalysts; on the other hand, the high permeability of commercially available membranes with respect to alcohols causes a partial depolarization of the process, resulting in a further loss of electrical efficiency. In the case of hydrogen coming from the conversion of natural gas, alcohols or fossil fuels, the problem represented by the inevitable presence of carbon monoxide is well known, of which simple traces are sufficient to significantly penalize the operation of the anodic catalysts currently known at commonly used temperatures. employed. Both the problem of the oxidation kinetics of alcohols on noble metals, and the phenomena of poisoning of the latter due to exposure to very limited quantities of carbon monoxide, can be virtually eliminated by increasing the operating temperature above 130 ° C. Commercial membranes for fuel cells really developed to the point of allowing their effective use in industrial applications are 1 made up of perfluorocarbosulfonic acids (e.g. Nafion®), for which the possibility of operating at medium temperature is prevented for two orders of reasons; the first thermal threshold, set at 10CPC, cannot be crossed due to the difficulty of maintaining the water balance of the system, especially when operating with low pressure gaseous reagents (a condition imposed for most practical applications in order to maximize the efficiency of system). The second thermal threshold, set at about 130X, corresponds to the beginning of the phase transition phenomena for most of the perfluorocarbosulfonic acids; above this temperature, for prolonged operating times, crystalline phases begin to segregate inside the polymer, which create inhomogeneities which reflect on the properties of electrical conduction and mechanical stability. The inhomogeneity of the current distribution causes, in these conditions, a bad thermal distribution which causes the destruction of the polymer in the higher temperature areas ("hot spots").
Un miglioramento delle condizioni di umidificazione delle membrane perfluorocarbosolfoniche è stato proposto nel brevetto U.S.A. 5,523,181; nel caso di celle a combustibile funzionanti con idrogeno e ossigeno o con idrogeno e aria, la dispersione di particelle molto fini di gel di silice all'interno dei polimeri in questione favorisce la ritenzione idrica degli stessi, consentendo il funzionamento di celle a combustibile con apporto ridotto di umidità nel flusso dei reagenti gassosi ovvero, nei casi più favorevoli, il mantenimento del bilancio idrico del sistema senza apporto di umidità dall'esterno, per mezzo della sola acqua generata dalla reazione. Tale ritrovato, pur non consentendo di per sé l'esercizio di celle a combustibile al di sopra dei 100°C nella maggior parte delle condizioni di processo richieste dall'industria (ad esempio, alimentando reagenti a bassa pressione), e pur non affrontando il problema della soglia termica a cui iniziano i fenomeni di transizione di fase dei polimeri costituenti le membrane a scambio ionico, permette di semplificare notevolmente il sistema attorno alle celle a combustibile operanti a bassa temperatura, e costituisce un importante passo in avanti verso il raggiungimento degli scopi che la presente invenzione si prefigge. An improvement in the humidification conditions of perfluorocarbosulfonic membranes has been proposed in U.S. Pat. 5,523,181; in the case of fuel cells operating with hydrogen and oxygen or with hydrogen and air, the dispersion of very fine particles of silica gel inside the polymers in question favors their water retention, allowing the operation of fuel cells with supply reduced humidity in the flow of gaseous reactants or, in the most favorable cases, the maintenance of the water balance of the system without adding humidity from the outside, by means of only the water generated by the reaction. This invention, while not allowing the operation of fuel cells above 100 ° C in most of the process conditions required by industry (for example, feeding low pressure reagents), and while not facing the problem of the thermal threshold at which the phase transition phenomena of the polymers making up the ion exchange membranes begin, makes it possible to considerably simplify the system around fuel cells operating at low temperatures, and constitutes an important step forward towards achieving the objectives that the present invention aims.
L’invenzione in esame è rivolta ad operare celle a combustibile a membrana polimerica a media temperatura (100 - 160°C), con una vasta flessibilità nella scelta del combustibile da alimentare all'anodo (alcoli leggeri, idrogeno da reforming a vapore o da ossidazione parziale di alcoli o di combustibili fossili a base idrocarburica, o di gas naturale). The invention in question is aimed at operating medium temperature polymer membrane fuel cells (100 - 160 ° C), with a wide flexibility in the choice of the fuel to be fed to the anode (light alcohols, hydrogen from steam reforming or from partial oxidation of alcohols or hydrocarbon-based fossil fuels, or natural gas).
L’esercizio di convenzionali polimeri a scambio ionico nelle condizioni menzionate è reso possibile attraverso la sostanziale implementazione dell’invenzione descritta in U.S. 5,523,181, talora citata nella letteratura specializzata come “membrana Stonehart" (ad esempio, Fuel Celi Seminar 1996 Proc., pag. 591 segg.), ed ottenibile per dispersione di Si02 (0,01 -50% in peso) in una sospensione in fase liquida del polimero a scambio ionico, con conseguente rideposizione della miscela ottenuta in un film a spessore controllato (tipicamente dai 3 ai 200 micrometri a seconda delle applicazioni), mediante un disco di Petri o tecniche analoghe. The operation of conventional ion exchange polymers under the conditions mentioned is made possible through the substantial implementation of the invention described in U.S. 5,523,181, sometimes cited in the specialized literature as "Stonehart membrane" (for example, Fuel Celi Seminar 1996 Proc., Page 591 ff.), And obtainable by dispersion of Si02 (0.01 -50% by weight) in a suspension in liquid phase of the ion exchange polymer, with consequent redeposition of the mixture obtained in a film with a controlled thickness (typically from 3 to 200 micrometers depending on the applications), using a Petri dish or similar techniques.
L’implementazione oggetto della nostra invenzione consiste in un trattamento termico a temperatura superiore ai 130°C, e preferibilmente superiore ai 150°C, per un periodo di tempo limitato da 1 a 60 minuti, preferibilmente da 3 a 15 minuti, in modo da indurre una transizione di fase controllata di parte del polimero in esame; l'ottenimento del grado di conversione ottimale dalla fase amorfa a quella cristallina può essere controllato mediante diffrazione di raggi X durante l'esecuzione del trattamento termico. The implementation object of our invention consists of a heat treatment at a temperature above 130 ° C, and preferably above 150 ° C, for a limited period of time from 1 to 60 minutes, preferably from 3 to 15 minutes, so as to inducing a controlled phase transition of part of the polymer under examination; obtaining the optimal degree of conversion from the amorphous to the crystalline phase can be controlled by X-ray diffraction during the execution of the heat treatment.
Si è sorprendentemente notato che, in seguito a tale trattamento, le proprietà meccaniche del film risultano notevolmente incrementate, e che l’esercizio in celle a combustibile a temperature comprese tra 100 e 160°C risulta possibile per periodi di tempo prolungati, senza che insorgano fenomeni di disidratazione di alcun tipo e senza la comparsa di ulteriori fenomeni incontrollati di transizione di fase. It has surprisingly been noted that, following this treatment, the mechanical properties of the film are considerably increased, and that operation in fuel cells at temperatures between 100 and 160 ° C is possible for prolonged periods of time, without the occurrence of phenomena of dehydration of any kind and without the appearance of further uncontrolled phase transition phenomena.
L'esercizio delle celle a combustibile a temperature superiori a 130°C, in particolare, permette una notevole flessibilità in termini di combustibile alimentato all'anodo, consentendo sia la soppressione di fenomeni di avvelenamento dei catalizzatori a base di metallo nobile da parte di monossido di carbonio e di altri composti organici, sia il notevole incremento della cinetica di ossidazione di combustibili quali metanolo ed etanolo, infine, si è sorprendentemente notato come, nel caso di celle alimentate con alcoli leggeri, i fenomeni di permeatone da parte di questi combustibili attraverso la membrana risultino notevolmente ridotti, come dimostra, indirettamente, la ridotta depolarizzazione del processo in esame, la cui tensione elettrica a circuito aperto raggiunge valori insolitamente elevati. H coefficiente di diffusione della specie metanolo è stato anche determinato sperimentalmente in condizioni reali di lavoro: il valore ottenuto, pari a 1.33.10"8 cm2 s'1, è circa mille volte inferiore ai valori usualmente riportati dalla letteratura (es. M.W. Verbrugge, J. Electrochem. Soc.136. N°2, 1989, pp. 417-423) The operation of fuel cells at temperatures above 130 ° C, in particular, allows considerable flexibility in terms of fuel fed to the anode, allowing both the suppression of phenomena of poisoning of noble metal-based catalysts by monoxide of carbon and other organic compounds, and the considerable increase in the oxidation kinetics of fuels such as methanol and ethanol, finally, it has been surprisingly noticed how, in the case of cells fed with light alcohols, the phenomena of permeatone by these fuels through the membrane are considerably reduced, as indirectly demonstrated by the reduced depolarization of the process under examination, whose open circuit electric voltage reaches unusually high values. The diffusion coefficient of the methanol species was also determined experimentally in real working conditions: the value obtained, equal to 1.33.10 "8 cm2 s1, is about a thousand times lower than the values usually reported in the literature (eg M.W. Verbrugge , J. Electrochem. Soc. 136. N ° 2, 1989, pp. 417-423)
E' principale scopo della presente invenzione fornire una migliorata membrana a conduzione protonica, adatta a lavorare a temperatura superiore a 100°C e con una ridotta permeazione agli alcoli, costituita da un acido perfluorocarbosolfonico nel quale siano inglobate particelle di silice con una concentrazione in peso compresa fra lo 0.01 ed il 50% in peso, caratterizzata dal fatto di essere sottoposta ad un trattamento termico ad una temperatura superiore alla temperatura di transizione vetrosa, per un tempo sufficiente ad una conversione parziale della fase amorfa nella fase cristallina. The main purpose of the present invention is to provide an improved proton conduction membrane, suitable for working at temperatures above 100 ° C and with a reduced permeation to alcohols, consisting of a perfluorocarbosulfonic acid in which silica particles with a concentration by weight are incorporated comprised between 0.01 and 50% by weight, characterized in that it is subjected to a heat treatment at a temperature higher than the glass transition temperature, for a time sufficient for a partial conversion of the amorphous phase into the crystalline phase.
E’ un ulteriore scopo della presente invenzione fornire una cella elettrochimica a membrana dove avvenga l'ossidazione al comparto anodico di un combustibile scelto nel gruppo che comprende metanolo, etanolo, idrogeno proveniente da conversione di idrocarburi o alcoli, utilizzante la membrana migliorata dell'invenzione. It is a further object of the present invention to provide an electrochemical cell with membrane where oxidation takes place at the anodic compartment of a fuel selected from the group which includes methanol, ethanol, hydrogen coming from conversion of hydrocarbons or alcohols, using the improved membrane of the invention .
La seguente è una descrizione dettagliata dell'invenzione in oggetto, che fa riferimento ad alcuni esempi rappresentativi del modo migliore di applicare l’invenzione stessa, senza che tali esempi abbiano in alcun modo lo scopo di limitarne o circoscriverne l'utilizzo a quanto espressamente citato. The following is a detailed description of the invention in question, which refers to some representative examples of the best way to apply the invention itself, without these examples having in any way the purpose of limiting or circumscribing its use to what is expressly mentioned. .
ESEMPIO 1 EXAMPLE 1
In 100 grammi di sospensione idroalcoolica di Nafion® (5% in peso, Aldrich) è stato sospeso un quantitativo di Si02 (Aerosil 200, Degussa) pari al 3% in peso, in forma di particolato fine, con particelle di diametro inferiore al micrometro; la miscela così ottenuta è stata sottoposta ad agitazione in un bagno ad ultrasuoni per 30 minuti. Successivamente, tale miscela è stata deposta in un disco di Patri e scaldata per 30 minuti ad 80°C. Il film di Nafion ridepositato è stato staccato dal disco di Petri mediante aggiunta di acqua distillata e lasciato asciugare per 15 ore a temperatura ambiente, quindi interposto tra due fogli di PTFE, cui è stata applicata una pressione di 3 bar. Al campione, alloggiato in una camera per alta temperatura Paar HTK-10 inserita in un diffrattometro a raggi X Philips X’Pert System PW 1830, è stata quindi applicata una rampa termica, incrementando la temperatura fino a 160°C e controllando la transizione di fase conseguentemente indotta sul polimero tramite l'emissione XRD. In 100 grams of hydroalcoholic suspension of Nafion® (5% by weight, Aldrich) a quantity of Si02 (Aerosil 200, Degussa) equal to 3% by weight, in the form of fine particles, with particles having a diameter of less than a micrometer, was suspended ; the mixture thus obtained was subjected to stirring in an ultrasonic bath for 30 minutes. Subsequently, this mixture was deposited in a Patri disk and heated for 30 minutes at 80 ° C. The redeposited Nafion film was detached from the Petri dish by adding distilled water and left to dry for 15 hours at room temperature, then interposed between two PTFE sheets, to which a pressure of 3 bar was applied. A thermal ramp was then applied to the sample, housed in a Paar HTK-10 high temperature chamber inserted in a Philips X'Pert System PW 1830 X-ray diffractometer, increasing the temperature up to 160 ° C and controlling the transition of consequently induced phase on the polymer through the XRD emission.
In particolare, è stato monitorato lo spostamento del picco emesso in corrispondenza di 2Θ = 17°(CuKa) verso valori di 2Θ crescenti: il trattamento termico è stato interrotto quando tale picco è giunto in corrispondenza di 2Θ = 17,8°(CuKa), corrispondente in una conversione del 25% della fase amorfa in fase cristallina. In particular, the displacement of the peak emitted at 2Θ = 17 ° (CuKa) towards values of increasing 2Θ was monitored: the heat treatment was interrupted when this peak reached 2Θ = 17.8 ° (CuKa) , corresponding to a 25% conversion of the amorphous phase to the crystalline phase.
Al termine del trattamento, il film polimerico, dello spessore di circa 150 micrometri, è stato sottoposto ad un ciclo di purificazione con perossido di idrogeno al 5% e con acido solforico 1 M. At the end of the treatment, the polymeric film, with a thickness of about 150 micrometers, was subjected to a purification cycle with 5% hydrogen peroxide and 1 M sulfuric acid.
La membrana così ottenuta è stata ritagliata nella forma desiderata, e su di essa sono stati pressati a caldo due elettrodi ELAT™ (E-Tek, Ine.) , ovvero un catodo attivato con 0.3 mg/cm2 di Pt supportato su carbone, ed un anodo attivato con 0.6 mg/cm2 di lega Pt.Ru 1:1 supportata su carbone ( fornito da E-Tek, Ine.); questo assieme membrana - elettrodo è stato inserito in una cella a combustibile alimentata al catodo con aria a 1.5 bar assoluti, e all'anodo con idrogeno puro alla stessa pressione; la temperatura di umidificazione dei reagenti e quella della cella sono state mantenute a 70°C. Una seconda cella di riferimento è stata equipaggiata con gli stessi componenti della prima, eccetto la membrana, costituita un prodotto commercializzato da Dupont con il marchio Nafion® 115, della avente lo stesso spessore e la stessa composizione chimica della membrana inserita nella prima cella, se si eccettua l'aggiunta di silice. Anche in questo caso sono stati alimentati gli stessi reagenti del caso precedente, con gli stessi parametri di processo. The membrane thus obtained was cut into the desired shape, and two ELAT ™ electrodes (E-Tek, Ine.), I.e. a cathode activated with 0.3 mg / cm2 of Pt supported on carbon, and a activated anode with 0.6 mg / cm2 of 1: 1 Pt.Ru alloy supported on carbon (provided by E-Tek, Ine.); this membrane - electrode assembly was inserted in a fuel cell fed to the cathode with air at 1.5 absolute bar, and to the anode with pure hydrogen at the same pressure; the temperature of humidification of the reagents and that of the cell were kept at 70 ° C. A second reference cell was equipped with the same components as the first, except for the membrane, consisting of a product marketed by Dupont under the Nafion® 115 brand, having the same thickness and the same chemical composition of the membrane inserted in the first cell, if except for the addition of silica. Also in this case the same reagents were fed as in the previous case, with the same process parameters.
Le celle, aventi 50 cm2 di area attiva, sono state poste in esercizio ad una densità di corrente costante pari a 5 kA/m2 nel corso di 8 ore, rilevando la tensione di cella in continuo. In entrambi i casi, tale parametro si è mantenuto in un intervallo compreso tra 690 e 700 mV, pressoché costante nel tempo. The cells, having 50 cm2 of active area, were put into operation at a constant current density of 5 kA / m2 over the course of 8 hours, measuring the cell voltage continuously. In both cases, this parameter remained in a range between 690 and 700 mV, which was practically constant over time.
Dopo una sosta notturna, entrambe le celle sono state poste in esercizio ad una temperatura di 100°C. con reagenti umidificati ad 85“C; gli altri parametri sono stati mantenuti costanti. La cella equipaggiata con la membrana della presente invenzione ha permesso di rilevare, a densità di corrente di 5 kA/m2, una tensione di cella compresa fra 705 e 715 mV, costante nel tempo nel corso di 8 ore. La cella equipaggiata con membrana Nafion® 115 ha permesso di rilevare una tensione iniziale di 710 mV; tale tensione è scesa progressivamente a zero nel corso di 30 minuti. After an overnight stop, both cells were put into operation at a temperature of 100 ° C. with reagents wetted at 85 ° C; the other parameters were kept constant. The cell equipped with the membrane of the present invention made it possible to detect, at a current density of 5 kA / m2, a cell voltage comprised between 705 and 715 mV, constant over time over 8 hours. The cell equipped with the Nafion® 115 membrane made it possible to detect an initial voltage of 710 mV; this voltage gradually dropped to zero over the course of 30 minutes.
ESEMPIO 2 EXAMPLE 2
Le celle dell'esempio precedente, l’una equipaggiata con la membrana della presente invenzione, descritta nell’esempio 1, l’altra con Nafion® 115, sono state alimentate al catodo con aria a 2 bar assoluti, e all'anodo con una miscela proveniente da steam reforming di metano e successivo water shift alla stessa pressione; la composizione di tale miscela comprende il 65% di idrogeno, ['1% di monossido di carbonio, oltre a biossido di carbonio, acqua ed altri inerti. La temperatura di umidificazione dei reagenti e quella della cella sono state mantenute a 70°C. The cells of the previous example, one equipped with the membrane of the present invention, described in example 1, the other with Nafion® 115, were fed to the cathode with air at 2 absolute bar, and to the anode with a mixture coming from methane steam reforming and subsequent water shift at the same pressure; the composition of this mixture comprises 65% of hydrogen, 1% of carbon monoxide, in addition to carbon dioxide, water and other inerts. The humidification temperature of the reagents and that of the cell were maintained at 70 ° C.
Non è stato possibile rilevare alcuna generazione di corrente elettrica nelle due celle. It was not possible to detect any generation of electric current in the two cells.
La temperatura delle due celle è stata successivamente incrementata fino a 100°C, e quella di umidificazione dei reagenti fino ad 85°C; la cella equipaggiata con la membrana commerciale di riferimento Nafion® 115 ha mostrato deboli segnali di generazione di corrente elettrica, rapidamente cessati nell’arco di pochi minuti. The temperature of the two cells was subsequently increased up to 100 ° C, and that of the humidification of the reagents up to 85 ° C; the cell equipped with the commercial reference membrane Nafion® 115 showed weak signals of electric current generation, which quickly ceased within a few minutes.
La cella equipaggiata con la membrana della presente invenzione generava, in queste condizioni, 5 kA/m2 di corrente continua ad una tensione di 620 mV; la temperatura di cella è stata successivamente innalzata fino a 150°C, ed in queste condizioni è stato possìbile generare 5 kA/m2 di corrente continua ad una tensione compresa fra 680 e 700 mV per otto ore in continuo. The cell equipped with the membrane of the present invention generated, under these conditions, 5 kA / m2 of direct current at a voltage of 620 mV; the cell temperature was subsequently raised up to 150 ° C, and under these conditions it was possible to generate 5 kA / m2 of direct current at a voltage of between 680 and 700 mV for eight hours continuously.
ESEMPIO 3 EXAMPLE 3
La cella degli esempi precedenti, equipaggiata con la membrana della presente invenzione, descritta nell’esempio 1, è stata alimentata all’anodo con una miscela di metanolo 2M in acqua preriscaldata ad 85°C, ed al catodo con aria a 4 bar assoluti; l'uscita del comparto anodico è stata pressurizzata a 4.5 bar assoluti. Una cella di riferimento è stata equipaggiata con gli stessi componenti della prima, salvo per il fatto che la membrana, ottenuta con la stessa formulazione di Nafion® (5% in peso, Aldrich) e Si02 (Aerosi! 200, Degussa), non è stata sottoposta ad alcun trattamento termico. Anche la cella di riferimento è stata posta in esercizio in analoghe condizioni operative. La temperatura delle due celle è stata inizialmente fissata a 85°C. Sulla cella equipaggiata con la membrana della presente invenzione è stata letta una tensione a circuito aperto di 950 mV; sulla cella di riferimento, la tensione a circuito aperto era di 890 mV, evidentemente a causa di una più pronunciata permeazione di metanolo. The cell of the previous examples, equipped with the membrane of the present invention, described in example 1, was fed to the anode with a mixture of 2M methanol in water preheated to 85 ° C, and to the cathode with air at 4 absolute bar; the outlet of the anodic compartment was pressurized to 4.5 absolute bar. A reference cell was equipped with the same components as the first, except that the membrane, obtained with the same formulation of Nafion® (5% by weight, Aldrich) and Si02 (Aerosi! 200, Degussa), is not been subjected to any heat treatment. The reference cell was also put into operation under similar operating conditions. The temperature of the two cells was initially set at 85 ° C. An open circuit voltage of 950 mV was read on the cell equipped with the membrane of the present invention; on the reference cell, the open circuit voltage was 890 mV, evidently due to a more pronounced methanol permeation.
Entrambe le celle sono state poste in esercizio ad una densità di corrente di 2 kA/m2; sulla cella equipaggiata con la membrana della presente invenzione, è stata rilevata una tensione di 260 mV, progressivamente ridotti a 240 mV nell'arco di due ore e successivamente stabilizzati a tale valore nell'arco delle sei ore successive; sulla cella di riferimento è stata rilevata una tensione di 60 mV, progressivamente ridottisi a 30 mV nell’arco delle otto ore successive. Both cells were put into operation at a current density of 2 kA / m2; on the cell equipped with the membrane of the present invention, a voltage of 260 mV was detected, progressively reduced to 240 mV over two hours and subsequently stabilized at this value over the next six hours; a voltage of 60 mV was detected on the reference cell, which gradually decreased to 30 mV over the next eight hours.
La temperatura di entrambe le celle è stata successivamente innalzata a 155°C; in queste condizioni non è stato possibile mettere in esercizio la cella di riferimento, poiché la tensione di cella è scesa a zero nell’arco di trenta minuti, la cella equipaggiata con la membrana della presente invenzione ha permesso di rilevare, ad una densità di corrente di 2 kA/m2, una tensione di cella iniziale di 600 mV, stabilizzatasi a 550 mV nell’arco di un'ora e quindi mantenutasi stabile nelle otto ore successive. La densità di corrente è stata quindi portata a 500 mA/cm2, ed in queste condizioni la tensione di cella rilevata si è mantenuta costante a 400 mV nel corso delle otto ore successive; durante questa prova, è stato misurato, mediante gascromatografia all’uscita del comparto anodico, un coefficiente di diffusione del metanolo attraverso la membrana pari a 1.33. IO* cm2 s'1, tre ordini di grandezza inferiore ai valori riportati dalla letteratura. The temperature of both cells was subsequently raised to 155 ° C; under these conditions it was not possible to put the reference cell into operation, since the cell voltage dropped to zero in the space of thirty minutes, the cell equipped with the membrane of the present invention made it possible to detect, at a current density of 2 kA / m2, an initial cell voltage of 600 mV, which stabilized at 550 mV over one hour and then remained stable over the next eight hours. The current density was then brought to 500 mA / cm2, and in these conditions the detected cell voltage remained constant at 400 mV over the course of the following eight hours; during this test, a diffusion coefficient of methanol through the membrane equal to 1.33 was measured by gas chromatography at the exit of the anodic compartment. IO * cm2 s'1, three orders of magnitude lower than the values reported in the literature.
ESEMPIO 4 EXAMPLE 4
Le due celle dell'esempio 3 sono state alimentate all'anodo con una miscela di etanolo 2M in acqua preriscaldata ad 85°C, ed al catodo con aria a 4 bar assoluti; l'uscita del comparto anodico è stata pressurizzata a 4.5 bar assoluti. The two cells of example 3 were fed to the anode with a mixture of 2M ethanol in water preheated to 85 ° C, and to the cathode with air at 4 absolute bar; the outlet of the anodic compartment was pressurized to 4.5 absolute bar.
Ad una temperatura di cella di 85°C, sono state misurate tensioni a circuito aperto di 820 mV per la cella equipaggiata con la membrana della presente invenzione, e di 740 mV per la cella di riferimento. At a cell temperature of 85 ° C, open circuit voltages of 820 mV were measured for the cell equipped with the membrane of the present invention, and of 740 mV for the reference cell.
Alla stessa temperatura, non è stato possibile in nessuna delle due celle raggiungere una densità di corrente di 0.5 kA/m2. At the same temperature, it was not possible in either cell to reach a current density of 0.5 kA / m2.
La temperatura delle due celle è stata successivamente innalzata a 145°C; in tali condizioni, la cella equipaggiata con la membrana della presente invenzione ha generato 2 kA/m2 di corrente continua ad una tensione compresa fra 460 e 490 mV nel corso di otto ore di prova; la cella di riferimento, dopo alcuni minuti di funzionamento con una tensione iniziale di 435 mV alla stessa densità di corrente, ha progressivamente cessato di generare corrente. The temperature of the two cells was subsequently raised to 145 ° C; under these conditions, the cell equipped with the membrane of the present invention generated 2 kA / m2 of direct current at a voltage between 460 and 490 mV during the course of eight hours of testing; the reference cell, after a few minutes of operation with an initial voltage of 435 mV at the same current density, has progressively ceased to generate current.
ESEMPIO 5 EXAMPLE 5
Cinque celle a combustibile, aventi 50 cm2 di area attiva, equipaggiate con lo stesso assieme membrana ~ elettrodo, comprendente la membrana della presente invenzione, descritto nell'esempio 1, sono state connesse in serie elettrica in uno stack con alimentazione dei reagenti anodico e catodico in parallelo. Five fuel cells, having 50 cm2 of active area, equipped with the same membrane-electrode assembly, comprising the membrane of the present invention, described in example 1, were connected in electrical series in a stack with feeding of the anodic and cathodic reagents. in parallel.
Le celle sono state alimentate al catodo con aria non umidificata a 4 bar, e mantenute ad una temperatura di 150° C per tutta la durata dell'esperimento; all'anodo è stata alimentata dapprima la miscela contenente idrogeno e monossido di carbonio dell'esempio 2, umidificata ad 85°C, ad una pressione di 4 bar; lo stack è stato quindi posto in esercizio ad una densità di corrente di 5 kA/m2; nel corso di due ore, la tensione media di cella si è mantenuta entro valori compresi fra 670 e 680 mV. The cells were fed to the cathode with non-humidified air at 4 bar, and kept at a temperature of 150 ° C for the whole duration of the experiment; the anode was first fed with the mixture containing hydrogen and carbon monoxide of Example 2, humidified at 85 ° C, at a pressure of 4 bar; the stack was then put into operation at a current density of 5 kA / m2; over the course of two hours, the average cell voltage remained within values between 670 and 680 mV.
Successivamente, la linea di alimentazione del comparto anodico è stata bonificata e quindi alimentata con la miscela contenente acqua e metanolo dell'esempio 3; la densità di corrente è stata fissata a 2 kA/m2 per due ore, nel corso delle quali la tensione di cella media rilevata si è mantenuta entro valori compresi fra 530 e 550 mV. Subsequently, the feeding line of the anodic compartment was purified and then fed with the mixture containing water and methanol of Example 3; the current density was fixed at 2 kA / m2 for two hours, during which the mean cell voltage detected was kept within values between 530 and 550 mV.
La linea di alimentazione anodica è stata infine bonificata, quindi alimentata con la miscela contenente acqua ed etanolo dell'esempio 4; la densità di corrente è stata mantenuta ad un valore costante di 2 kA/m2 nel corso di due ore, nel corso delle quali la tensione di cella media rilevata si è mantenuta entro valori compresi fra 425 e 440 mV. The anodic feeding line was finally reclaimed, then fed with the mixture containing water and ethanol of Example 4; the current density was maintained at a constant value of 2 kA / m2 over the course of two hours, during which the mean cell voltage detected was kept within values between 425 and 440 mV.
Gli esempi precedentemente esposti non intendono limitare l'invenzione ai casi esplicitamente indicati, ma al contrario l’invenzione intende coprire qualsivoglia modifica o configurazione alternativa che ricada nello spirito e nello scopo dell'invenzione stessa come enunciato nelle seguenti rivendicazioni. The examples set out above are not intended to limit the invention to the cases explicitly indicated, but on the contrary the invention intends to cover any modification or alternative configuration that falls within the spirit and scope of the invention itself as set out in the following claims.
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